CFD simulation of a gasifier test rig

Abstract

The primary objective of this master’s thesis was to validate and optimize the aerodynamic and particle phase transport geometries for a gasifier pilot plant constructed at LUT University. The research belongs to the university’s HIGHWAY thermal energy storage project, which investigates the integration of thermal energy storage within fluidized bed applications. The flow fields and particulate tracking within the gasifier were investigated utilizing three-dimensional computational fluid dynamics modeling. Numerical simulations were executed using a poly-hexcore mesh topology and the Reynolds-Averaged Navier-Stokes framework combined with Discrete Phase Modeling.

The results identified a critical geometric deficiency in the upper section of the original cyclone separator, where a persistent stagnation zone and a parasitic attic vortex caused particulate accumulation and a localized decline in separation efficiency. To mitigate this, the cyclone geometry was optimized by lowering the roof flush with the inlet channel ceiling and systematically shortening the vortex finder. This modification eliminated the dead zone, ensured robust convergence, and restored particle separation efficiency while reducing the net pressure drop under peak conditions. Across all operational regimes, the particle sizes essential for maintaining the sand bed inventory were completely captured. Furthermore, the simulations revealed hydrodynamic limitations in the primary air distribution loop, showing that a single large nozzle configuration induces adverse particle segregation toward the reactor walls.

In conclusion, this thesis demonstrates that CFD modeling serves as an exceptionally powerful design support tool in plant engineering, enabling the rectification of fundamental geometric errors prior to physical construction. The flow data establishes a reliable foundation for the sizing of the pilot plant’s equipment.

Tämän diplomityön tavoitteena oli validoida ja optimoida LUT-yliopistolle rakennettavan kaasutinkoelaitoksen aerodynamiikkaa ja hiukkasvirtauksen geometriaa. Tutkimus liittyy yliopiston HIGHWAY-lämpövarastoprojektiin, jossa selvitetään lämpövarastoratkaisujen integrointia leijupetisovellukseen. Kaasuttimen sisäisiä virtauskenttiä ja hiukkasten käyttäytymistä tutkittiin kolmiulotteisella tietokoneavusteisella virtauslaskennalla. Numeeriset simulaatiot suoritettiin käyttäen poly-hexcore-laskentaverkkoa sekä Reynolds-Averaged Navier-Stokes-yhtälöryhmää täydennettynä hiukkasfaasin mallinnuksella.

Tulosten avulla havaittiin kriittinen geometriavirhe alkuperäisen syklonierottimen yläosassa, jonne muodostunut pysyvä kuollut hiukkasvirtausalue ja haitallinen pyörre aiheuttivat hiukkasten kasaantumista sekä erotustehokkuuden heikkenemistä. Suunnitteluvirheen korjaamiseksi syklonin geometriaa optimoitiin madaltamalla kattoa sisääntulokanavan ylätasoon ja lyhentämällä upotusputkea. Tämä muutos poisti syklonin yläosan kuolleen alueen, varmisti simulaation vakaan konvergenssin ja palautti hiukkaserotustehokkuuden, vähentäen samalla järjestelmän kokonaispainehäviötä huippuolosuhteissa. Kaikissa toimintaolosuhteissa hiekkapedin säilymisen kannalta tärkeät hiukkaskoot saatiin kaapattua kokonaan. Virtaussimulaatiot paljastivat myös hydrodynaamiset rajoitukset primääri-ilmansyötössä osoittaen, että yhden suuren suuttimen konfiguraatio johtaa hiukkasten haitalliseen kasautumiseen reaktorin seinämille. Tämä estää leijupedille ominaisen tehokkaan lämmön- ja aineensiirron toteutumisen.

Diplomityö osoittaa, että CFD-mallinnus toimii poikkeuksellisen tehokkaana suunnittelun tukityökaluna laitostekniikassa, sillä sen avulla perustavanlaatuiset geometriavirheet pystytään korjaamaan ennen fyysistä rakennusvaihetta. Simulaatiosta saatu virtausdata luo myös luotettavan pohjan koelaitoksen laitemitoitukselle.